高層混凝土建筑抗震結構設計要點分析

孫國紅

華東建筑設計研究院有限公司大連分公司，遼寧 大連 116001

高層混凝土結構作為當下建筑中最為常見的結構形式之一，具有耐久性能良好、整體性能好、耐火性能好等特點，同時混凝土結構強度高、造價低，能夠更好地促進建筑工程的可持續發展，因此得到廣泛的運用。抗震結構設計作為混凝土建筑設計的核心內容，直接對建筑物的整體穩定性和抗震性產生影響，因此結構設計人員需要重點分析高層混凝土抗震設計，這有助于從根源上保障高層混凝土建筑的合理性。

1 高層混凝土建筑抗震結構設計重心

在高層混凝土建筑結構設計過程中，設計人員應對相關數據進行分析，明確當前高層建筑的抗震剛度，確保建筑結構能夠滿足施工地區的抗震要求，從根源上保障建筑結構的安全性及延展性。

目前，一般采用計算機軟件進行高層建筑結構分析和設計，對計算結果的合理性、可靠性進行判斷是結構設計的主要任務之一。這項工作需以力學概念和豐富的工程經驗為基礎，從結構總體和局部兩個方面進行考慮。具體包括所選用的計算軟件是否恰當，結構的振型、周期、位移形態和量值、地震作用的分布和樓層地震剪力的大小、有效參與質量、截面配筋設計等是否在合理的范圍，總體和局部的力學平衡條件是否得到滿足。判斷力學平衡條件時，應針對重力荷載、風荷載作用下的單工況內力展開。針對局部構件尤其是受力復雜的構件（如轉換構件等），應分析其內力或應力分布是否與力學概念、工程經驗相一致。對結構剛度值進行精準控制，做到小震不壞、中震可修、大震不倒。同時，需重視高層混凝土基礎結構的剛度設計，并考慮基礎結構對上部建筑剛度值的影響。合理的剛度能夠保障高層混凝土在建筑結構基礎發生細微變化時，通過自身體系、建筑材料的力學性能達到協同工作的目的，使高層混凝土建筑結構不會受到極大的破壞，經過合理的維修檢測后能夠正常運行，達到抗震性能設計的要求。

為了保障高層混凝土建筑結構設計具備良好的安全性、可靠性、經濟性，應對高層建筑結構進行合理設計。結構應具有必要的承載力、剛度、穩定性、延性、耗能等性能。在設計中，設計人員應合理地布置抗側力構件，減少地震作用下的扭轉效應；結構剛度、承載力沿房屋高度應均勻、持續分布及保持完整，不宜抽柱或梁，使傳力途徑發生變化。震害表明，若設計中豎向構件在平面內或沿高度方向不對齊，不能形成完整的框架，可能在地震中由于扭轉效應和傳力路徑中斷等損壞結構。

2 高層混凝土建筑抗震結構設計現狀

2.1 建筑結構高度設計難度大

近年來，大部分建設單位在施工過程中受到多種因素的影響，頻繁發生不按圖施工現象。同時，部分建設單位為了獲取更大的經濟效益，對圖紙進行了改動，導致實際建筑高度可能超過原有設計高度，相關指標發生改變，對結構整體的力學性能產生嚴重負面影響，使結構無法滿足國家的相關標準，不在安全高度范圍內。一旦出現地震災害，高層建筑結構將導致不可預測的后果，對人們的生命安全產生嚴重的威脅。

2.2 建筑地基缺乏科學性

在對高層混凝土建筑結構抗震進行設計時，地基基礎類型的選擇極為重要。因此，從巖土的勘察到基礎的設計，需嚴格要求質量，確保地基基礎設計的可靠性、安全性、經濟性。在土方開挖后，應對土壤穩定性進行控制，確保地基基礎的合理性，保障高層建筑結構抗震性能夠達到預期效果。

2.3 建筑選材不夠合理

目前，我國高層建筑不僅以鋼筋混凝土結構為主，鋼結構、鋼-鋼筋混凝土混合結構也較多。越來越多的建設者、設計師更加重視建筑選材，以確保材料力學性能合理，從根源上保障抗震結構能夠滿足實際需求。不斷優化建筑材料力學性能，有助于從根源上提高建筑物的抗震性能。

3 高層混凝土建筑抗震結構設計方式

3.1 科學選定建筑場地

根據大量數據分析可知，高層混凝土建筑場地直接影響抗震效果。加上對于地震災害情況的分析能夠明確地知曉，只有保持地基基礎持力層的穩定性，才能從根本上保障建筑結構抗震效果達到預期。因此，在建設高層混凝土建筑時，首先，應重視建設場地的選擇，確保建設場地具有科學性、合理性，還需充分考慮到高層建筑結構周圍的地形地貌、地質條件等，盡可能避免地震斷裂帶區域，從而保障結構的穩定性。其次，高層混凝土建筑的建設場地不能處于易發生地質災害區域，例如滑坡、坍塌發生地，這種部位的抗震性能極差，安全系數達不到要求，將對居民人身、財產安全將產生嚴重的影響。

3.2 對結構設計方案加以控制

根據震害經驗，體型復雜的房屋容易破壞甚至倒塌。由于結構所受地震作用的不確定性和復雜性，單純依賴計算分析很難有效地控制結構的整體抗震性能，必須同時做好概念設計。合理的建筑布置和正確的結構選型是抗震設計的重要概念。

3.3 控制扭轉效應

地震將產生嚴重的扭轉效應、水平拉扯以及豎向剪切作用，在這些作用的共同影響下，將對整體建筑結構產生嚴重的破壞，導致房屋建筑結構出現斷裂、坍塌等現象（見圖1）。同時，地震發生時存在諸多不確定因素，并且具有一定的隨機性，需要充分降低扭轉效應對建筑結構的影響，以最大限度地保障結構抗震性能達到預期。因此，在設計高層混凝土抗震結構時，需結合地震水平作用引起的扭轉效應。為此，需要對抗震結構位移目標進行合理控制。在結構受到地震災害時，保障側向位移在合理范圍內的最大結構剛度，并設計相應力學性能的側向構件，確保高層混凝土建筑物整體結構均在可控范圍內，從根源上保障混凝土建筑抗震結構的各分部分項工程能夠達到設計標準。同時，應不斷深化高層混凝土結構的力學性能，確保及時發現設計問題，并進行調整與修改，在最大程度上保障高層混凝土建筑的抗震能力達到預期。

圖1 地震引起的建筑物倒塌

3.4 控制結構內部具體參數

為了不斷提升高層建筑的安全性和穩定性，設計人員應嚴格結合設計階段的每一項參數進行分析，確保參數具備合理性。同時，在設計過程中應不斷對建筑周圍位置、地形、環境等方面的數據進行調研，對相關數據特征進行總結，結合數據開展高層建筑整體結構的合理設計，確保整體結構抗震設計值滿足國家規范規定值。為了降低建筑受力情況分析的難度，可運用先進的BIM技術對整體結構進行建模，對結構的力學性能進行精準計算，保障建筑結構在受力時能夠實現抗震的目標，從而保障高層建筑的安全性和穩定性。

3.5 強化抗震防線數量

高層建筑抗震結構體系中包含多種理想的延展體系，并具備延性結構構件方面的協同連接。例如，將剪力墻結構與框架結構進行組合，將形成多肢剪力墻結構，能夠更有效地抵擋烈度較高的地震和強度較高的余震。如果僅設置一道抗震防線，當防線被破壞后，將對主體造成嚴重的損害，甚至產生主體坍塌。因此，設計人員應充分結合構件，建立合理的延性體系，確保整體結構的抗震性和延展性達到實際需求。設計人員也需不斷研究將各種結構與剪力墻相結合，確保設計出最能提升結構強度的延性體系，以保障整體建筑的抗震性能。

設計人員在開展抗震設計時，由于內部某一結構構件抗側移設計值過大，可能導致構件其他部分在受到地震破壞時還受到抗側移設計構件的影響，整體結構較為薄弱。因此，需重視對抗側移構件強度的分析，規避施工階段的以大代小現象，提升部分抗側移部件的配筋率。

4 結束語

綜上所述，我國高層建筑抗震設計仍處于研究階段，具備良好的發展空間。盡管結合大部分數據能夠獲取一定的經驗，但在高層建筑整體抗震理論明確方面仍然需要完善。不斷對結構力學性能進行合理分析，有助于充分推動地基結構、材料、抗震性能等方面的平衡，從而提升整體高層建筑的抗震性能。此外，需不斷對抗震設計模式進行優化，從根源上保障抗震設計的合理性，促進高層建筑的良好發展。